Электр сымдарын жасайтын жұмбақ бактериялар

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Ларс Питер Нильсен үшін бәрі күкіртсутегінің жұмбақ жоғалуынан басталды. Микробиолог Даниядағы Орхус портының түбінен қара, иісі бар балшықты жинап, оны үлкен шыны стакандарға лақтырып, балшықтың химиялық құрамындағы өзгерістерді анықтайтын арнайы микросенсорларды енгізді.

Тәжірибенің басында композиция күкіртсутекпен қанықтырылды - тұнбаның иісі мен түсінің көзі. Бірақ 30 күннен кейін кірдің бір жолағы бозарып кетті, бұл күкіртсутегінің жоғалғанын көрсетеді. Ақырында, микросенсорлар барлық қосылымның жойылғанын көрсетті. Ғалымдар балшықтың биогеохимиясы туралы не білетінін ескере отырып, Орхус университетінің Нильсенін еске түсіреді, «бұл мүлдем мағынасы жоқ».

Оның айтуынша, бірінші түсініктеме сенсорлардың дұрыс еместігі болды. Бірақ оның себебі әлдеқайда оғаш болып шықты: жасушаларды қосатын бактериялар ластану арқылы 5 сантиметрге дейін ток өткізе алатын электр кабельдерін жасайды.

Микробтарда бұрын-соңды болмаған бейімделу кабельдік бактериялар деп аталатын балшықта өмір сүретін көптеген ағзалар кездесетін негізгі проблеманы жеңуге мүмкіндік береді: оттегі жетіспеушілігі. Оның болмауы әдетте бактерияларды тағамға арналған күкіртсутек сияқты қосылыстарды метаболизмнен сақтайды. Бірақ кабельдер микробтарды оттегіге бай шөгінділерге байланыстыру арқылы олардың ұзақ қашықтықта әрекет етуіне мүмкіндік береді.

2009 жылы Нильсен бұл жаңалықты алғаш рет сипаттағанда, оның әріптестері күмәнмен қарады. Антверпен университетінің инженер-химиялық инженері Филипп Мейсман: «Бұл мүлдем нонсенс» деп ойлайды. Иә, зерттеушілер бактериялардың электр тогын өткізе алатынын білді, бірақ Нильсен ұсынған қашықтықта емес. Чапел-Хиллдегі Солтүстік Каролина университетінің микробиологы Андреас Теске: «Біздің зат алмасу процестеріміз 18 шақырым қашықтыққа әсер ететіндей болды», - дейді.

Бірақ зерттеушілер «электрленген» балшықты неғұрлым көп іздесе, соғұрлым олар тұзды да, тұщы суда да тапты. Олар сондай-ақ кірді жақсы көретін электрлік микробтың екінші түрін анықтады: нано сымды бактериялар, электрондарды қысқа қашықтыққа жылжыта алатын ақуыз құрылымдарын өсіретін жеке жасушалар.

Бұл нано сымды микробтар барлық жерде, соның ішінде адамның аузында кездеседі

Жаңалықтар зерттеушілерді оқулықтарды қайта жазуға мәжбүрлейді; көміртегі, азот және фосфор сияқты негізгі элементтерді өңдеудегі балшық бактерияларының рөлін қайта қарастыру; және олардың су экожүйелеріне және климаттың өзгеруіне қалай әсер ететінін қарастырыңыз.

Ғалымдар сонымен қатар ластанумен және электрлік құрылғыларды қуаттандырумен күресу үшін кабельдер мен нано сымдары бар бактериялардың әлеуетін зерттеп, практикалық қосымшаларды іздейді. «Біз микробтар мен микробтардың электр қуатын пайдаланатын өзара әрекеттесуін байқаймыз», - дейді Мейсман. «Мен оны электрлік биосфера деп атаймын».

Көптеген жасушалар бір молекуладан электрондарды алып, тотығу деп аталатын процесс және оларды тотықсыздану деп аталатын басқа молекулаға, әдетте оттегіге беру арқылы өседі. Осы реакциялардан алынған энергия басқа тіршілік процестерін басқарады. Эукариоттық жасушаларда, соның ішінде біздің жасушаларда, мұндай «тотықсыздану» реакциялары митохондриялардың ішкі мембранасында жүреді және олардың арасындағы қашықтық өте кішкентай - тек микрометрлер. Сондықтан көптеген зерттеушілер Нильсеннің кабельдік бактериялар электрондарды гольф добындай кір қабаты арқылы жылжытады деген пікіріне күмәнмен қарады.

Жоғалып кеткен күкіртті сутегі мұны дәлелдейтін кілт болды. Бактериялар өсімдік қалдықтарын және басқа органикалық материалдарды ыдыратып, балшықта қосылыс жасайды; тереңірек кен орындарында оттегінің жетіспеушілігінен күкіртсутек жиналады, бұл басқа бактерияларға оны ыдыратуға көмектеседі. Дегенмен, Нильсен стақандарында күкіртті сутегі әлі де жоғалып кетті. Оның үстіне кірдің бетінде тот басқан реңк пайда болды, бұл темір оксидінің пайда болуын көрсетті.

Бір күні түнде оянған Нильсен біртүрлі түсініктеме ойлап тапты: балшыққа көмілген бактериялар оттегі аз қабаттарды айналып өтіп, тотығу-тотықсыздану реакциясын аяқтаса ше? Оның орнына олар электрон доноры ретінде күкіртті сутегінің мол қорын пайдаланып, содан кейін электрондарды оттегіге бай бетке қарай бұрса ше? Онда тотығу процесінде темір бар болса, тот пайда болады.

Бұл электрондарды не тасымалдайтынын табу қиынға соқты. Біріншіден, Нильсен командасының қызметкері Нильс Рисгаард-Петерсен қарапайым мүмкіндікті жоққа шығаруға мәжбүр болды: шөгіндідегі металл бөлшектері электрондарды бетіне тасымалдайды және тотығуды тудырады. Ол бұған электр тогын өткізбейтін шыны моншақтар қабатын кір бағанасына салу арқылы жүзеге асырды. Осы кедергіге қарамастан, зерттеушілер әлі де балшық арқылы қозғалатын электр тогын тапты, бұл металл бөлшектерінің өткізгіш емес екенін көрсетті.

Кабель немесе сым электрондарды тасымалдайтынын білу үшін зерттеушілер лай бағанасын көлденең кесу үшін вольфрам сымын қолданды. Сым кесілгендей ток сөніп қалды. Басқа жұмыстар өткізгіштің өлшемін тарылтып, оның диаметрі кемінде 1 микрометр болуы керек деп болжайды. «Бұл бактериялардың қалыпты мөлшері», - дейді Нильсен.

Сайып келгенде, электронды микросуреттер ықтимал кандидатты анықтады: Орхус айлағынан балшықпен толтырылған стакандарға салынған шыны моншақтар қабатында пайда болған ұзын, жұқа бактериялық талшықтар. Әрбір жіпше қырлы сыртқы қабықшамен қоршалған 2000-ға дейін жасушалар жиынтығынан тұрды. Бұл мембрана мен бір-бірінің үстіне жиналған жасушалар арасындағы кеңістікте көптеген параллельді «сымдар» жіпті бүкіл ұзындығына созды. Кабель тәрізді сыртқы түрі микробтың жалпы атауын шабыттандырды.

Бұрынғы скептик Мейсман тез өзгерді. Нильсен өзінің ашқанын жариялағаннан кейін көп ұзамай Мейсман теңіз балшығының жеке үлгілерінің бірін зерттеуге шешім қабылдады. «Мен ол көрген шөгіндідегі түс өзгерістерін байқадым», - деп еске алады Мейсман. «Табиғат-ананың оған көбірек мән беру бағыты болды».

Оның командасы микробтарды зерттеуге арналған құралдар мен әдістерді әзірлеуге кірісті, кейде Нильсен тобымен бірге жұмыс істеді. Бару қиын болды. Бактериялық жіптер оқшаулаудан кейін тез нашарлайды, ал шағын өткізгіштердегі токтарды өлшеуге арналған стандартты электродтар жұмыс істемейді. Бірақ зерттеушілер бір жіпті таңдап, жеке электродты жылдам бекітуді үйренгеннен кейін, «біз шынымен жоғары өткізгіштікке көз жеткіздік», - дейді Мейсман. Тоқты кабельдер мыс сымдармен бәсекелесе алмайды, деді ол, бірақ олар күн батареялары мен ұялы телефон экрандарында қолданылатын өткізгіштерге, сондай-ақ ең жақсы органикалық жартылай өткізгіштерге сәйкес келеді.

Зерттеушілер кабельдік бактериялардың анатомиясын да талдады. Химиялық ванналарды қолдана отырып, олар цилиндрлік қабықты оқшаулап, оның ішінде бір-біріне жабыстырылған 17-ден 60-қа дейін параллель талшықтар бар екенін анықтады. Қабық өткізгіштік көзі болып табылады, деп хабарлады өткен жылы Мейсман мен оның әріптестері Nature Communications журналында. Оның нақты құрамы әлі белгісіз, бірақ ол ақуызға негізделген болуы мүмкін.

«Бұл күрделі ағза», - дейді қазір Дания үкіметі 2017 жылы құрылған Электро-микробиология орталығын басқаратын Нильсен. Орталықтың шешетін мәселелерінің қатарында культурадағы микробтарды жаппай өндіру де бар. Орталықтан Андреас Шрамм: «Егер бізде таза мәдениет болса, жасуша метаболизмі және қоршаған ортаның өткізгіштікке әсері туралы идеяларды тексеру оңайырақ болар еді». Өсірілген бактериялар кабельдік сымдарды оқшаулауды және биоремедиация мен биотехнологияның әлеуетті қолданбаларын сынауды жеңілдетеді.

Зерттеушілер кабельдегі бактериялар туралы ойланып жатқанда, басқалары электрлік балшықтағы тағы бір негізгі ойыншыны қарастыруда: ұяшықтарды кабельдерге бүктеудің орнына әрбір жасушадан ұзындығы 20-50 нм болатын ақуыз сымдарын өсіретін нано сым негізіндегі бактериялар.

Кабельдік бактериялар сияқты, кен орындарының жұмбақ химиялық құрамы нано сымды микробтардың ашылуына әкелді. 1987 жылы микробиолог Дерек Ловли, қазір Массачусетс Амхерст университетінде, Вашингтондағы Потомак өзенінің астындағы шөгінділерден балдырлардың гүлденуіне ықпал ететін қоректік зат - тыңайтқыш ағынды сулардан алынған фосфаттың қалай бөлінетінін түсінуге тырысты. жұмыс істеп, оларды кірден тазарта бастады. Қазір Geobacter Metallireducens деп аталатын біреуін өсіргеннен кейін ол (электрондық микроскоп астында) бактериялардың жақын маңдағы темір минералдарымен байланысын өсіргенін байқады. Ол электрондар осы сымдар бойымен тасымалданады деп күдіктеніп, ақырында Geobacter балшықтағы химиялық реакцияларды ұйымдастырып, органикалық қосылыстарды тотықтырып, электрондарды минералдарға тасымалдайтынын анықтады. Бұл азайған минералдар содан кейін фосфор мен басқа элементтерді шығарады.

Нильсен сияқты, Лавли өзінің электрлік микробын алғаш сипаттағанда күмәнмен бетпе-бет келді. Алайда бүгінде ол және басқалары нано сымды микробтардың он шақты түрін тіркеп, оларды кірден басқа ортада тапты. Көбісі шөгіндідегі бөлшектерге электрондарды тасымалдайды. Бірақ кейбіреулер электрондарды қабылдау немесе сақтау үшін басқа микробтарға сенеді. Калифорния технологиялық институтының гебиологы Виктория Орфанның айтуынша, бұл биологиялық серіктестік екі микробқа да «бірде-бір организм жалғыз жасай алмайтын химияның жаңа түрлерімен айналысуға» мүмкіндік береді. Кабельдік бактериялар тотығу-тотықсыздану қажеттілігін ұзақ қашықтыққа оттегімен қаныққан балшыққа тасымалдау арқылы шешсе, бұл микробтар тотығу-тотықсыздану қажеттілігін қанағаттандыру үшін бір-бірінің зат алмасуына тәуелді.

Кейбір зерттеушілер әлі күнге дейін бактериялық наноөткізгіштердің электрондарды қалай өткізетіні туралы пікірталас тудыруда. Ловли мен оның әріптестері кілті дөңгелек амин қышқылдарынан тұратын пилиндер деп аталатын ақуыздар тізбегі екеніне сенімді. Ол және оның әріптестері пилиндегі сақиналы аминқышқылдарының мөлшерін азайтқанда, наноөткізгіштер аз өткізгіш болды. «Бұл шынымен таңқаларлық болды», - дейді Лавли, өйткені ақуыздар оқшаулағыш болып табылады. Бірақ басқалары бұл сұрақты шешуден алыс деп ойлайды. Orphan, мысалы, «толық дәлелдер бар болса да… [нано сымның өткізгіштігі] әлі де жақсы түсінілген деп ойламаймын» дейді.

Бір нәрсе анық, электрлік бактериялар барлық жерде бар. Мысалы, 2014 жылы ғалымдар Солтүстік теңіздің үш түрлі мекендеу орындарында кабельдік бактерияларды тапты: теңіз толқыны бар тұзды батпақта, кейбір маусымдарда оттегі деңгейі нөлге жуық төмендейтін теңіз түбіндегі бассейнде және теңіз маңындағы су басқан лайлы жазықта. … … жаға. (Олар оларды шөгінділерді шығаратын және кабельдерді бұзатын құрттар мекендейтін құмды аймақтан таппады.) Басқа жерлерде зерттеушілер терең, оттегі аз мұхит бассейндерінде, ыстық бұлақ аймақтарында және суық жағдайларда кабельдік бактериялардың ДНҚ дәлелдерін тапты. төгілулер, қоңыржай және субтропиктік аймақтардағы мангрлар мен толқындар.

Кабельдік бактериялар тұщы су орталарында да кездеседі. Нильсеннің 2010 және 2012 жылдардағы мақалаларын оқығаннан кейін микробиолог Райнер Мекенсток бастаған топ Германияның Дюссельдорф қаласында жер асты суларының ластануын зерттеу кезінде бұрғыланған шөгінді өзектерін қайта зерттеді. Дуйсбург-Эссен университетінде жұмыс істейтін Мекенсток: «Біз [кабельдік бактерияларды] біз оларды табамыз деп ойлаған жерден таптық», - деп еске алады оттегі таусылған тереңдіктен.

Нано сымды бактериялар одан да кең таралған. Зерттеушілер оларды топырақтан, күріш алқаптарынан, терең ішектерден және тіпті ағынды суларды тазарту қондырғыларынан, сондай-ақ тұщы су мен теңіз шөгінділерінен тапты. Олар биофильмдер пайда болған жерде болуы мүмкін, және биофильмдердің барлық жерде болуы бұл бактериялардың табиғатта атқаратын үлкен рөлінің тағы бір дәлелі.

Электрлік шлам бактерияларының алуан түрлілігі олардың экожүйелерде маңызды рөл атқаратынын көрсетеді. Мысалы, күкіртті сутегінің жиналуын болдырмай, кабельдік бактериялар ластануды басқа тіршілік формалары үшін қолайлы етеді. Мекенсток, Нильсен және басқалары оларды теңіз шөптерінің және басқа да су өсімдіктерінің тамырларында немесе олардың жанында оттегін бөлетін, бактериялар күкіртті сутегін ыдырату үшін пайдаланады деп тапты. Бұл өз кезегінде өсімдіктерді улы газдан қорғайды. Серіктестік «су өсімдіктеріне өте тән болып көрінеді», - деді Мекенсток.

Стони Брук университетінің теңіз биогеохимигі Роберт Аллер бактериялар көптеген су астындағы омыртқасыздарға, соның ішінде оттегі бар судың балшыққа түсуіне мүмкіндік беретін шұңқырлар жасайтын құрттарға да көмектесе алады деп санайды. Ол құрт түтіктерінің бүйірлеріне жабысатын кабельдік бактерияларды тапты, бұл оттегін электрондарды сақтау үшін пайдалана алады. Өз кезегінде бұл құрттар улы сутегі күкіртінен қорғалған. «Бактериялар [шұңқырды] өмір сүруге жарамды етеді», - дейді Аллер, сілтемелерді 2019 жылғы шілдедегі Science Advances мақаласында сипаттаған.

Микробтар кірдің қасиеттерін де өзгертеді, дейді Мэриленд университетінің қоршаған ортаны қорғау ғылымдары орталығының экологы Сайра Малкин. «Олар әсіресе тиімді … экожүйе инженерлері». Кабельдік бактериялар «өрт сияқты өседі» дейді ол; Толқынды устрица рифтерінде ол бір текше сантиметр балшықта бөлшектерді орнында бекітетін 2859 метр кабель болуы мүмкін, бұл шөгіндіні теңіз организмдеріне төзімдірек ететінін анықтады.

Бактериялар сонымен қатар кірдің химиялық құрамын өзгертіп, бетіне жақын қабаттарды сілтілі, ал тереңірек қабаттарды қышқыл етеді, деп тапты Малкин. Мұндай рН градиенттері «көптеген геохимиялық циклдерге», соның ішінде мышьякпен, марганецпен және темірмен байланысты, оның айтуынша, басқа микробтар үшін мүмкіндіктер жасайды.

Ғаламшардың кең аумақтары балшықпен жабылғандықтан, зерттеушілердің айтуынша, кабельдер мен нано сымдармен байланысты бактериялар жаһандық климатқа әсер етуі мүмкін. Мысалы, нано сымды бактериялар өлі диатомдар сияқты органикалық материалдардан электрондарды алып, содан кейін оларды метан, қуатты парниктік газ шығаратын басқа бактерияларға бере алады. Әртүрлі жағдайларда кабельдік бактериялар метан өндірісін азайтуы мүмкін.

Алдағы жылдары «біз бұл микробтардың биосфера үшін маңыздылығын кеңінен мойындайтын боламыз», - дейді Малкин. Нильсен Орхус балшығынан күкіртті сутегінің жұмбақ жоғалып кеткенін байқағаннан кейін он жылдан сәл астам уақыт өткен соң, ол: «Бұл жерде біз не істеп жатқанымыз туралы ойлаудың басы айналады», - дейді.

Келесі: микробтық сымдар арқылы жұмыс істейтін телефон?

Электрлік микробтардың пионерлері бұл бактерияларды қалай пайдалану керектігін тез ойластырды. Орхус университетінің микробиологы Ларс Питер Нильсен: «Енді біз эволюцияның электр сымдарын жасай алатынын білгендіктен, оларды қолданбасақ, ұят болар еді», - дейді.

Мүмкін қолданудың бірі ластаушы заттарды анықтау және бақылау болып табылады. Кабельдік микробтар май сияқты органикалық қосылыстардың қатысуымен дамитын сияқты және Нильсен мен оның командасы кабельдік бактериялардың көптігі сулы горизонттарда ашылмаған ластанудың болуын білдіру мүмкіндігін сынап жатыр. Бактериялар майды тікелей бұзбайды, бірақ олар басқа майлы бактериялар шығаратын сульфидті тотықтыра алады. Олар сондай-ақ тазалауға көмектесе алады; жаңбыр кабель бактерияларымен колонизацияланған кезде шикі мұнай ластануынан тезірек қалпына келеді, деп басқа зерттеу тобы қаңтарда Water Research журналында хабарлады. Испанияда үшінші топ нано сымды бактериялар ластанған сулы-батпақты жерлерді тазалауды жылдамдата алатынын зерттеп жатыр. Нано сымға негізделген бактериялар электрлік болмай тұрып та, олар ядролық қалдықтар мен бензол немесе нафталин сияқты хош иісті көмірсутектермен ластанған сулы горизонттарды залалсыздандыруға уәде берді.

Электрлік бактериялар да жаңа технологияларды тудыруы мүмкін. Амхерст қаласындағы Массачусетс университетінің микробиологы Дерек Ловлидің айтуынша, оларды нано сымдарын өзгерту үшін генетикалық түрлендіруге болады, содан кейін олар сезімтал киілетін сенсорлардың негізін құру үшін кесілуі мүмкін. «Біз нано сымдарды жобалай аламыз және оларды қызығушылық тудыратын қосылыстарды арнайы байланыстыруға бейімдей аламыз». Мысалы, Nano Research журналының 11 мамырдағы сүйкімді санында UMass инженері Джун Яо және олардың әріптестері аммиакты ауылшаруашылық, өнеркәсіптік, экологиялық және биомедициналық қолданбаларға қажетті концентрацияларда анықтайтын нано сымға негізделген сенсорды сипаттады.

Пленка ретінде жасалған наноөткізгіштер ауадағы ылғалдан электр энергиясын өндіре алады. Зерттеушілер пленканың үстіңгі және астыңғы жиектері арасында ылғал градиенті пайда болған кезде пленка энергия шығарады деп есептейді. (Үстіңгі жиегі ылғалға көбірек ұшырайды.) Судың сутегі мен оттегі атомдары градиентке байланысты бөлінгенде заряд пайда болып, электрондар ағып кетеді. Яо және оның командасы 17 ақпанда Nature журналында мұндай пленка жарық диодын жарықтандыру үшін жеткілікті энергияны құра алатынын және бір-біріне қосылған 17 осындай құрылғы ұялы телефонды қуаттай алатынын хабарлады. Цинхуа университетінің материалды зерттеушісі Цю Лянти бұл тәсіл «жаңартылатын, таза және арзан энергияны өндіруге арналған революциялық технология» дейді. (Басқалары графен немесе полимерлер арқылы ылғалдан энергияны сығу әрекеттері сәтсіз болғанын ескеріп, сақтық танытады.)

Сайып келгенде, зерттеушілер таңдаулы микробтармен күреспей-ақ бактериялардың электрлік қабілеттерін пайдалануға үміттенеді. Мысалы, Catch қарапайым зертханалық және өнеркәсіптік бактерия Escherichia coli-ны нано сымдар жасауға көндірді. Бұл зерттеушілерге құрылымдарды жаппай шығаруды және олардың практикалық қолдануларын зерттеуді жеңілдетуі керек.